气溶胶辐射效应对灰霾边界层影响的大涡模拟研究

Smoggy boundary layer is a new challenge to atmospheric boundary layer meteorology and atmospheric environment in our country. Aerosol radiation effect is the key to determine the structures of smoggy atmospheric boundary layer. A radiation model (Discrete Ordinates Radiative Transfer Program, DISORT) will be coupled with the NCAR’s Large-Eddy Simulation (LES) model to study the impact of aerosol radiation effect on the turbulence structures of the boundary layer. Both field experiments and the online-coupled modeling system are integrated to investigate the interactions among haze, aerosol radiation, and boundary layer processes, and their impacts on turbulence, thermodynamics, and entrainment through numerical experiments. This study will provide scientific evidence for improvement of boundary layer parameterization schemes in weather, climate, and air quality models and provide a benchmark to assess regional aerosol radiation effect.

灰霾边界层是我国大气边界层气象学和大气环境学面临的共同问题。确定气溶胶辐射效应对灰霾大气边界层的影响是解决这一难题的关键。本项目拟在观测的基础上，将NCAR的大涡模式（Large-Eddy Simulation, LES）与气溶胶辐射传输模型（Discrete Ordinates Radiative Transfer Program, DISORT）相耦合，建立一个大涡气溶胶辐射动态耦合模式，用于研究重灰霾污染条件下大气边界层的动力和热力结构及其演变特征，阐明灰霾与边界层物理过程之间的相互反馈机制，评估灰霾的辐射效应对湍流结构、温度层结和夹卷过程等的影响，为改进天气、气候和空气质量数值预报模式中的边界层参数化方案及评估区域气溶胶辐射效应提供科学依据。

重霾污染条件下，气溶胶辐射效应对大气边界层动力热力结构、大气湍流及边界层顶的夹卷过程等有着重要影响。目前大气边界层湍流统计理论、边界层和夹卷过程参数化方案大都建立在相对干净或灰霾污染较轻的大气边界层条件，且未系统考虑气溶胶辐射效应的影响。大涡模式是研究大气湍流和评估大气边界层和夹卷过程参数化方案的一种重要工具，目前各种大涡模式均未考虑气溶胶辐射效应的影响，极大地限制了大涡模式用于灰霾污染条件下边界层的模拟研究。本项目首先通过改进美国NCAR（National Center for Atmospheric Research）发展的一个大涡模式（LES），并与一个气溶胶辐射传输模型相耦合，建立了一个准静态的LES/Aerosol耦合模型；利用这个耦合模式成功地模拟了不同气溶胶光学厚度（AOD）、单向散射因子（SSA）等条件下感热通量、位温、风等一阶量、位温、速度等的协方差（二阶量）、夹卷速度、夹卷通量比等随时间的演变；评估了气溶胶短波辐射效应（这里仅考虑气溶胶短波辐射效应）对各边界层理论、湍流、夹卷通量及边界层参数化的影响；理论上推导了考虑气溶胶辐射效应的零阶夹卷速度方程，并提出了一个考虑灰霾气溶胶效应的湍流对流速度尺度（W*R)），系统评估了气溶胶辐射效应对能谱密度函数分布的影响；利用无人机携带便携式仪器探测了灰霾边界层内位温、湿度和PM2.5质量浓度的垂直廓线、夹卷区厚度随灰霾污染程度的变化等等。结果表明，重霾污染条件下，气溶胶辐射效应明显增强，受其影响，感热通量随高度的变化不再满足线性关系，且灰霾污染越严重，其偏离线性的程度越明显；无量纲化的夹卷速度随理查逊数（Ri）之间不再满足-1次方函数关系；夹卷区厚度随着灰霾浓度升高而加大但夹卷通量比随着灰霾浓度的升高而减小；重霾污染条件下，水平速度和垂直速度的能量谱分布在惯性子区内仍符合-5/3次幂函数关系，但能谱密度的幅度明显减小；现有的对流速度尺度不适合描述灰霾污染条件下大气边界层的普适结构。研究结果进一步表明，为提高灰霾污染条件下天气和空气质量的数值预报水平，现有各天气空气质量数值模式中边界层和夹卷参数化方案必须考虑气溶胶辐射效应的影响。